(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の廃熱により作動流体を気化させる沸騰器と、
前記沸騰器において気化した作動流体を凝縮する凝縮器と、
前記沸騰器において気化した作動流体を前記凝縮器へ供給する蒸気通路と、
前記凝縮器において凝縮した作動流体を前記沸騰器へ戻し、前記沸騰器、前記凝縮器及び前記蒸気通路とともにループ状の循環路を形成する凝縮水通路と、
前記作動流体を蓄えるリザーバタンクと前記凝縮水通路に設けた合流部とを接続する作動流体供給通路と、
を備え、
前記凝縮水通路の前記合流部付近では、前記合流部より前記沸騰器側の通路を構成する第１通路部の重力方向の位置が、前記合流部より前記凝縮器側の通路を構成する第２通路部の重力方向の位置よりも高いことを特徴とする熱回収装置。
【請求項２】
前記作動流体供給通路に流路を開閉する弁を設けたことを特徴とする請求項１記載の熱回収装置。
【請求項３】
前記リザーバタンクの重力方向の位置が前記合流部の重力方向の位置よりも高いことを特徴とする請求項１または２記載の熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンの運転に伴って発生する廃熱エネルギーを、媒体となる作動流体を介して回収し利用する廃熱利用装置が知られている。このような廃熱利用装置の一つには、例えば、エンジンの排気ガスが持つ熱により作動流体を沸騰させる沸騰器と、沸騰した作動流体から熱を受け取り、加熱部位を暖機するとともに、作動流体を凝縮する凝縮器とをループ状に接続した流路を形成し、ループ状の流路内で作動流体を循環させることにより、廃熱を回収して輸送する蒸気循環型の熱交換装置がある。特許文献１には、沸騰器（特許文献１中の「蒸気発生器」に相当）へ作動流体を供給可能なリザーバタンクを備えたエンジンの廃熱利用装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１５６３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の廃熱利用装置では、沸騰器内の圧力が低下すると作動流体が供給される構成となっている。特許文献１の構成において、リザーバタンクから作動流体が供給される場合、沸騰器の温度が作動流体の沸点以上であると、沸騰器へ供給された作動流体が瞬時に気化し、沸騰器の内圧を急上昇させる。沸騰器の内圧が上がりすぎると、リザーバタンクから沸騰器への流路が塞がれ、必要な量の作動流体が供給できなくなり、熱輸送を行うための作動流体が不足してしまう。
【０００５】
このような問題に対し、ポンプ等の圧送装置により作動流体を沸騰器へ供給することが可能である。しかしながら、ポンプ等の圧送装置を駆動するためにエネルギーを使用するため、エネルギーの利用効率の観点からすると効率的であるとはいえない。
【０００６】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、ループ状の循環路内における作動流体の不足を抑制する熱回収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決する本発明の熱回収装置は、内燃機関の廃熱により作動流体を気化させる沸騰器と、前記沸騰器において気化した作動流体を凝縮する凝縮器と、前記沸騰器において気化した作動流体を前記凝縮器へ供給する蒸気通路と、前記凝縮器において凝縮した作動流体を前記沸騰器へ戻し、前記沸騰器、前記凝縮器及び前記蒸気通路とともにループ状の循環路を形成する凝縮水通路と、前記作動流体を蓄えるリザーバタンクと前記凝縮水通路に設けた合流部とを接続する作動流体供給通路と、を備え、前記凝縮液通路の前記合流部付近では、前記合流部より前記沸騰器側の通路を構成する第１通路部の重力方向の高さが、前記合流部より前記凝縮器側の通路を構成する第２通路部の重力方向の高さよりも高いことを特徴とする。
【０００８】
これにより、リザーバタンクから凝縮水通路へ冷媒が供給されるとき、供給された作動流体は凝縮器側へ流れ込むため、沸騰器内における作動流体の急激な気化が抑制されてループ状の流路内の圧力上昇が抑制できる。この結果、リザーバタンクから必要とする量の作動流体を循環路内へ供給が可能となり、作動流体の不足を抑制することができる。
【０００９】
上記の熱回収装置は、前記作動流体供給通路に流路を開閉する弁を設けてもよい。また、上記の熱回収装置では、リザーバタンクの重力方向の位置が前記合流部の重力方向の位置よりも高くなるように配置してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の熱回収装置は、ループ状の循環路内における作動流体の不足を抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例の熱回収装置の概略構成を示した図である。
【図２】沸騰器の一例を示した図である。
【図３】図３（ａ）は凝縮水通路の合流部の周辺の拡大図である。図３（ｂ）は比較例の凝縮水通路の合流部周辺の拡大図である。
【図４】実施例において作動流体が供給される様子を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例】
【００１３】
図１は本実施例の熱回収装置１０の概略構成を示した図である。図１中の矢印は作動流体の流れる方向を示している。熱回収装置１０は、作動流体を仲立として、エンジン（内燃機関）の運転に伴い発生する廃熱エネルギーを回収し、暖機が必要な暖機要求部位へと熱を輸送する装置である。熱回収装置１０は廃熱エネルギーとして排気の持つ熱エネルギーを回収する。熱回収装置１０は、沸騰器１１、凝縮器１２、蒸気通路１３、凝縮水通路１４、リザーバタンク１５、作動流体供給通路１６を備えている。沸騰器１１、凝縮器１２、蒸気通路１３、凝縮水通路１４はループ状の循環路を形成し、その内部を作動流体が循環するように構成されている。
【００１４】
沸騰器１１は、エンジンの廃熱により作動流体を気化する。沸騰器１１はエンジンの排気が通過する排気管２１に組み込まれている。図２は沸騰器１１の一例を示した図である。図２は排気の進行方向へ向かって沸騰器１１を見た場合の断面を示している。沸騰器１１は、作動流体が沸騰（気化）する沸騰室１１１と、沸騰室１１１内を貫通する複数の熱交換管１１２とを備えている。熱交換管１１２は排気管２１に接続されており、熱交換管１１２の内部を排気が通過する。熱交換管１１２は、排気管２１よりも細く、隣合う熱交換管１１２との間に作動流体が浸入する隙間を空けて配置されている。このように構成した熱交換管１１２の内側の排気から外側の作動流体へ熱が伝達され、排気の熱エネルギーを回収した作動流体が沸騰（気化）する。
【００１５】
凝縮器１２は、エンジンの暖機要求される部位（暖機要求部）２２に設けられている熱交換器である。暖機要求部２２とは、例えば、室内暖房用のヒータやクランクキャップが挙げられる。暖機要求部２２は、この他、暖機することによりフリクションロスの低減効果が得られる部位としてもよい。凝縮器１２は、沸騰器１１において気化した作動流体から暖機要求部２２へ熱を伝達し、暖機要求部２２を暖機する。凝縮器１２内の作動流体は、暖機要求部２２へ熱を伝達する際に凝縮して、液体へと戻る。なお、凝縮器１２で凝縮した作動流体が重力により自然と沸騰器１１へ運ばれるように、凝縮器１２は沸騰器１１よりも高い位置に配置されていることがより好ましい。
【００１６】
蒸気通路１３は、沸騰器１１と凝縮器１２とを連通する配管である。蒸気通路１３は、沸騰器１１において気化した作動流体を凝縮器１２へ供給する熱の輸送路である。凝縮水通路１４は、凝縮器１２と沸騰器１１とを連通する配管である。凝縮水通路１４は、凝縮器１２において凝縮した作動流体を沸騰器１１へ戻す通路である。
【００１７】
このように、熱回収装置１０では、沸騰器１１、凝縮器１２、蒸気通路１３、凝縮水通路１４により、ループ状の循環路が形成され、作動流体が気化と凝縮とを行いながら循環し、排気から回収した熱エネルギーを暖機要求部２２へ輸送する。作動流体は、排気の温度と暖機要求部２２の温度を考慮して選択され、排気の温度で沸騰し、暖機要求時の暖機要求部２２の温度で凝縮する流体を用いる。作動流体は、例えば、水（水蒸気）を採用してもよい。
【００１８】
リザーバタンク１５は、作動流体を蓄える予備タンクである。作動流体供給通路１６は、リザーバタンク１５内と凝縮水通路１４とを連結する配管である。作動流体供給通路１６は凝縮水通路１４の合流部１４１において凝縮水通路１４と接続する。また、作動流体供給通路１６には、流路を開閉する開閉弁１７が設けられている。開閉弁１７は弁体が隔てる両端の圧力差により開閉する圧力弁としてもよい。開閉弁１７が開くとリザーバタンク１５の作動流体が作動流体供給通路１６を通り、凝縮水通路１４へ供給される。なお、リザーバタンク１５は、リザーバタンク１５の重力方向の位置が、合流部１４１の重力方向の位置よりも高くなるように配置してもよい。この場合、重力を利用して作動流体を凝縮水通路１４へ供給することができる。
【００１９】
次に、凝縮水通路１４について比較例と比較しながら詳細に説明する。図３（ａ）は凝縮水通路１４の合流部１４１の周辺の拡大図である。図３（ｂ）は比較例の凝縮水通路の合流部１９１周辺の拡大図である。図３（ａ），（ｂ）中の矢示ｇは重力の加わる方向、いわば重力方向の下を向いている。比較例の装置は、合流部１９１周辺の構成を除き、本実施例と同様の構成であり、本実施例と同様の構成については同一の符番を用いて説明する。図３（ａ），（ｂ）に示すように、本実施例、比較例とともに、凝縮水通路１４（１９）は合流部１４１（１９１）を境に第１通路部１４２（１９２）と第２通路部１４３（１９３）とに分けられている。第１通路部１４２（１９２）は合流部１４１（１９１）より沸騰器１１側の通路を構成している。第２通路部１４３（１９３）は合流部１４１（１９１）より凝縮器１２側の通路を構成している。
【００２０】
本実施例では、図３（ａ）に示すように、合流部１４１付近において、第１通路部１４２の重力方向の位置Ｈ１が第２通路部１４３の重力方向の位置Ｈ２よりも高い。すなわち、第１通路部１４２が第２通路部１４３よりも重力方向に高い位置に設けられている。この第１通路部１４２と第２通路部１４３とはそれぞれ単独の配管としてもよいし、一体に形成された１つの配管としてもよい。一方、比較例では、図３（ｂ）に示すように、合流部１９１付近において、第１通路部１９２と第２通路部１９３との重力方向の高さが等しい。
【００２１】
本実施例の合流部１４１付近の構成と比較例の合流部１９１付近の構成の違いは、リザーバタンク１５から作動流体を供給する際に影響を及ぼす。次に、リザーバタンク１５から凝縮水通路１４へ作動流体が供給される場合の実施例と比較例との違いについて説明する。図４は本実施例において作動流体が供給される様子を示した図である。
【００２２】
比較例の構成では、合流部１９１付近において、第１通路部１９２と第２通路部１９３との重力方向の高さが等しい。このため、作動流体供給通路１６から作動流体が供給されるとき、作動流体が第１通路部１９２、第２通路部１９３の圧力の関係により、作動流体が流れ込む流路が決まる。沸騰器１１内で液体の作動流体が枯渇しているような状態では、沸騰器１１内の圧力が低く、合流部１９１に供給された作動流体は第１通路部１９２へ流れ込む。この結果、沸騰器１１に供給された作動流体が気化して、凝縮水通路１４の内圧が急上昇してしまう。この場合、リザーバタンク１５からの作動流体の供給が妨げられて作動流体の供給が不足することがある。
【００２３】
本実施例の構成では、合流部１４１付近において、第１通路部１４２の重力方向の位置Ｈ１が第２通路部１４３の重力方向の位置Ｈ２よりも高い。このため、作動流体供給通路１６側から作動流体が供給される際に、作動流体は、重力に従って、重力方向の下側に位置する第２通路部１４３へ流れ込む（図４（ａ））。第２通路部１４３が作動流体で満たされ、液面が上昇すると、第２通路部１４３よりも重力方向の上側に位置する第１通路部１４２へ作動流体が流れ込み（図４（ｂ））、沸騰器１１へ作動流体が供給される。
【００２４】
これにより、リザーバタンク１５から凝縮水通路１４へ冷媒が供給されるとき、供給された作動流体は凝縮器１２側の第２通路部１４３へ流れ込み、第２通路部１４３の容積相当の作動流体が蓄えられる。これにより、リザーバタンク１５から一時的に作動流体が供給できなくなる場合でも循環路において作動流体の不足が生じない。これにより、熱回収装置１０は、排気から回収した熱を暖機要求部２２へ輸送し、有効利用することができる。
【００２５】
また、熱回収装置１０は、ポンプ等の圧送装置を利用せずに、作動流体を供給することが可能であり、可能な限りコンパクトな配管構成とすることが可能である。
【００２６】
また、例えば、リザーバタンク１５から供給する作動流体を蒸気通路１３へ供給した場合、気化した作動流体の流れを阻害してしまうことが考えられる。しかし、本実施例のように、凝縮水通路１４へ作動流体を供給する構成ならば、気化した作動流体の流れを阻害する心配がない。また、凝縮水通路１４とリザーバタンク１５とが作動流体供給通路１６により接続されているため、凝縮した作動流体が増加し、凝縮水通路１４の容積を超えた場合にも、増加した作動流体をリザーバタンク１５へ回収することができる。
【００２７】
以上、本実施例によると、熱回収装置１０は、エンジンの廃熱により作動流体を気化させる沸騰器１１と、沸騰器１１において気化した作動流体を凝縮する凝縮器１２と、沸騰器１１において気化した作動流体を凝縮器１２へ供給する蒸気通路１３と、凝縮器１２において凝縮した作動流体を沸騰器１１へ戻す凝縮水通路１４とがループ状の循環路を形成している。さらに、熱回収装置１０は作動流体を蓄えるリザーバタンク１５から凝縮水通路１４に設けた合流部１４１へ作動流体を供給する作動流体供給通路１６を備えている。そして、凝縮水通路１４の合流部１４１付近では、合流部１４１より沸騰器１１側の通路を構成する第１通路部１４２の重力方向の位置が、合流部１４１より凝縮器１２側の通路を構成する第２通路部１４３の重力方向の位置よりも高い。これにより、熱回収装置は、ループ状の循環路内における作動流体の不足を抑制し、廃熱を回収して有効利用することが可能である。
【００２８】
また、熱回収装置１０は、作動流体供給通路１６に流路を開閉する開閉弁１７を設けたことにより、ループ状の循環路内の作動流体の量を調節することが可能である。また、必要なときに作動流体を循環路へ供給することが可能である。
【００２９】
また、熱回収装置１０において、リザーバタンク１５の重力方向の位置を凝縮水通路１４の合流部１４１の重力方向の位置よりも高くなるようにリザーバタンク１５を配置することにより、重力により作動流体を供給することが可能である。これにより、作動流体の供給に使用するエネルギーを減少することができるので、燃費の向上が可能である。
【００３０】
なお、実施例で説明した熱回収装置１０は、リザーバタンク１５と開閉弁１７との間の作動流体供給通路１６上に作動流体供給用のポンプを設けてもいてもよい。また、廃熱エネルギーは排気熱に限られず、エンジンのシリンダヘッド、シリンダブロックを冷却して昇温する冷却水から廃熱を回収することとしてもよい。
【００３１】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  熱回収装置
１１  沸騰器
１２  凝縮器
１３  蒸気通路
１４  凝縮水通路
１４１  合流部
１４２  第１通路部
１４３  第２通路部
１５  リザーバタンク
１６  作動流体供給通路
１７  開閉弁
【図１】
0005668713.tif 000002
【図２】
0005668713.tif 000003
【図３】
0005668713.tif 000004
【図４】
0005668713.tif 000005